Piante resistenti alla siccità

di Chiara Tonelli, Eleonora Cominelli e Massimo Galbiati, Dipartimento di Scienze biomolecolari e biotecnologie.

Come è stato riportato nelle conclusioni del “World Water Forum”, tenutosi recentemente in Messico, la popolazione mondiale sta crescendo in modo allarmante e si stima che raggiungerà la soglia dei sei miliardi entro la fine dell’anno 2050. Pertanto, anche la richiesta di cibo aumenta molto rapidamente. Poiché per produrre cibo serve una quantità di acqua pari a settanta volte quella richiesta per tutti gli altri usi quotidiani, risulta chiaro che ridurre i consumi di acqua in agricoltura è uno degli obiettivi principali della ricerca nel settore agronomico. Inoltre la siccità, assieme ad altri fattori come il freddo e l’alta salinità del terreno, è uno degli stress abiotici che limitano maggiormente la distribuzione geografica delle specie coltivate e che compromettono la crescita e la produttività delle piante.

Di conseguenza, risulta di fondamentale importanza riuscire a coltivare piante anche in terreni che presentano in genere caratteristiche svantaggiose.

Le piante, durante l’evoluzione, hanno sviluppato una serie di meccanismi di adattamento per sopravvivere alle condizioni ambientali più avverse.

In alcuni casi sono in grado di sfuggire agli stress ambientali, modificando per esempio il proprio ciclo vitale; in altri casi tollerano le avversità, attivando meccanismi di difesa o di adattamento; inoltre possono sfruttare barriere morfologiche o fisiologiche, come la chiusura degli stomi o la presenza di spesse cuticole, per non rischiare un’eccessiva traspirazione.

Gli stomi (dal greco “stoma”, cioè bocca) sono dei veri e propri pori presenti sulla superficie degli organi verdi delle piante, circondati da due cellule, chiamate cellule di guardia degli stomi. Attraverso tali pori avviene l’ingresso di anidride carbonica, utilizzata dalla pianta nel processo fotosintetico, e la fuoriuscita di acqua per traspirazione. Ogni anno circa il 40% del carbonio atmosferico (300×1015 g di C) attraversa gli stomi e poco meno della metà viene assimilato nei prodotti della fotosintesi. Inoltre, tramite la traspirazione attraverso gli stomi, ogni anno vengono persi circa 30-40×1018 g di vapor d’acqua. La perdita d’acqua deve essere compensata dall’assorbimento radicale, che dipende dalla disponibilità d’acqua del terreno. L’apertura degli stomi riflette quindi un compromesso tra il fabbisogno fotosintetico di CO2 e la disponibilità di acqua.

Una delle risposte più immediate delle piante a condizioni di carenza idrica per limitare la traspirazione, consiste nella chiusura dei pori stomatici, dovuta alla perdita di turgore delle cellule di guardia che li circondano.

Tale processo è regolato dall’ormone acido abscissico, i cui livelli aumentano in risposta alla siccità.

Recenti studi nella pianta modello Arabidopsis thaliana hanno mostrato come sia possibile ottenere piante più tolleranti alla siccità, modificando alcune componenti del sistema di trasduzione del segnale delle cellule di guardia. Per esempio, aumentando l’espressione di geni che regolano positivamente la risposta all’acido abscissico nelle cellule di guardia, è possibile migliorare la risposta delle piante allo stress idrico. Arabidopsis thaliana è diventata negli ultimi anni un organismo modello per lo studio della genetica e della biologia molecolare e cellulare delle piante, poiché possiede una serie di vantaggi: piccole dimensioni (che la rendono ideale negli spazi ristretti dei laboratori e delle serre negli istituti di ricerca), ciclo vitale breve (circa sei settimane), elevata produttività di semi (fino a 10000 semi per pianta), ridotte dimensioni del suo genoma (circa 125 milioni di paia di nucleotidi, in soli cinque cromosomi), primo ad essere stato sequenziato nel regno vegetale. Un ulteriore vantaggio di Arabidopsis è la semplicità con la quale si possono produrre piante transgeniche, tramite il processo di trasformazione genetica, sfruttando il batterio Agrobacterium tumefaciens per incorporare nuovo DNA nel genoma della pianta.

Dal 2000, anno in cui si è terminato il sequenziamento del genoma di Arabidopsis, il punto focale della ricerca su questa pianta è diventato scoprire quale sia la funzione di ognuno dei suoi circa 26 mila geni. L’obiettivo è quello di estendere le conoscenze di base acquisite su questo organismo modello a specie di interesse agronomico per migliorarne le caratteristiche.

Nel nostro laboratorio è in corso la caratterizzazione della famiglia di geni MYB di Arabidopsis, codificanti per fattori trascrizionali, cioè proteine in grado di legarsi al DNA e di attivare o reprimere l’espressione di altri geni.

La nostra attenzione è stata rivolta prevalentemente a geni della famiglia MYB, la cui espressione è modulata in risposta alla siccità, quindi con un possibile ruolo nella risposta a tale stress. Uno di essi è risultato essere il gene AtMYB60 espresso in normali condizioni di crescita, ma non in risposta alla siccità e alla somministrazione di acido abscissico ed espresso in modo estremamente specifico solo nelle cellule di guardia degli stomi. In piante portanti una mutazione in AtMYB60 che lo rende completamente inattivo, i pori stomatici, in normali condizioni di crescita, presentano un’apertura ridotta rispetto alle piante di controllo. Queste piante mutanti, in condizioni di siccità, presentano una drastica riduzione del tasso di traspirazione e, di conseguenza, una maggior resistenza al disseccamento. Infatti, come mostrato nella figura, piante mutanti (a sinistra) non bagnate per otto giorni presentano foglie ancora verdi e turgide, mentre le piante normali (a destra) mostrano chiaramente gli effetti del disseccamento.
Un’analisi quantitativa del contenuto d’acqua di queste piante ha mostrato che gli individui mutanti dopo otto giorni di disseccamento mantengono il 55% di contenuto d’acqua relativo, a differenza delle piante non mutanti che mantengono solo il 17%. Dopo sedici giorni le differenze sono ancora più marcate: mentre il mutante mantiene il 30% di contenuto idrico, il controllo solo il 6%. È interessante notare come le piante mutanti nel gene AtMYB60 non presentino, in condizioni standard di crescita, nessuna anomalia morfologica e di sviluppo rispetto alle piante non geneticamente modificate, a differenza di quanto avviene in molti casi in cui una maggiore tolleranza alla siccità va a scapito della produttività della pianta.

Tramite un’analisi dei profili di trascrizione su scala genomica in piante normali e piante mutanti sono stati identificati alcuni geni apparentemente regolati dal fattore trascrizionale AtMYB60. Per alcuni di essi è stato dimostrato un ruolo nella risposta delle piante alla siccità, avvalorando ulteriormente l’ipotesi di un coinvolgimento diretto di AtMYB60 nella regolazione di questo processo.

Poiché l’apertura degli stomi nelle piante mutanti è ridotta e queste risultano più resistenti alla siccità, la nostra ipotesi è che la perdita della funzione del gene AtMYB60 sia percepita dalle cellule di guardia come un segnale che attiva la risposta allo stress, producendo effetti benefici a lungo termine durante la disidratazione.
Lo studio, recentemente confluito in un brevetto curato da Unimitt, apre nuove possibilità per ridurre il consumo di acqua in condizioni normali e incrementare la sopravvivenza e la produttività delle specie coltivate in condizioni di carenza idrica.
Le specie su cui abbiamo iniziato a trasferire le conoscenze acquisite in Arabidopsis sono pomodoro, una pianta dicotiledone, e riso, una monocotiledone.
Le strategie che stiamo utilizzando riguardano: l’identificazione e la modificazione in tali specie di geni ortologhi di AtMYB60 (geni simili in termini di sequenza ad AtMYB60 e che svolgono la stessa funzione), per aumentare la tolleranza alla siccità e ridurre l’utilizzo di acqua; lo sfruttamento delle sequenze regolative di AtMYB60 o dei suoi ortologhi per far esprimere altre proteine in modo specifico nelle cellule di guardia. Sempre con l’obiettivo di migliorare la tolleranza agli stress.

http://www.sisuni.unimi.it/

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